Nanoscale の水晶可塑性: 表面への上昇

教授によってフレデリック Sansoz

フレデリック Sansoz の Sansoz の研究グループヴァーモントの大学教授
対応する著者: frederic.sansoz@uvm.edu

機械的にロードされたとき形の常置変更を経る金のような結晶材料は水晶可塑性の結果です。 水晶のプラスチック変形に対する理想的な強さのための科学的な調査はずっとほぼ 90 年間研究のための焦点です1。 このフィールドの前進に構造材料で、またプロセスを形作る金属で強さおよび障害の抵抗を改善するための多くの重要な科学技術の含意がありました。

水晶可塑性によって影響される一次機械特性は伸縮性がある限界、現象を緊張堅くすることを含んでいる、および硬度です抗張延性。 異なった長さのスケールの微細構造機能のサイズの制御に、穀物および沈殿物のようなバルク結晶の固体の強さの増加で、多くの正常な結果がありました。 非常に、 50 年代の Brenner による精液の実験はまた張力で変形したマイクロメートルスケール、ディフェクトフリーの結晶のフィラメントまたはひげの強さがサイズ減少によってバルク同等のそれより大きい少なくとも 1 つの一桁であることができると証明しました2

現在、この基本的な面は副マイクロメートルの長さのスケールの強い結晶のフィルムを作成することが (MEMS)そのような装置は時間をはるかに越えて行うことを保障して必要であるので、マイクロ電気機械システムのような小型化されたアプリケーションのために適切です。 nanoscale で、よりエキサイティングなアプリケーションは生体物質に金属 nanostructures のような低次元材料および癌療法のためのセルのインターフェイスにあります3。 金属 nanowires がアプリケーションおよびオンチップ光学データ転送を感じるための電磁波かプラズモンを導くのに使用することができます4。 それらはまた機械処理によって複雑な固体構造を作成するために一緒に結合してもいいです5。 減らされた長さのスケールの金属の可塑性の精密な理解はそのようなアプリケーションのためのかなりの重要性をもちます。

開始するナノテクノロジー時代以来 nanoscale の機械特性に対する寸法効果の重大さは長く認識されていました [6]。 、材料特性のため、 nanoscale の世界が macroscale の縮小バージョン単にではないという考えは今確立しています。 特に、最近の進歩は微細構造、表面の演劇 nanoscale の水晶可塑性に於いての重要な役割およびサイズの依存に加えてそれを示しました。 下記において私は表面が nanoscale で水晶可塑性および強さに劇的にどのように影響を与えるか説明するのに金を一例として使用します。 これを受けて純粋な金が ~120 MPa の最大引張強さの最も柔らかい金属の 1 つであることが、覚えられていなければなりません。

サイズ対転位

2004 年に、 Uchic は柔軟に7 金属単一水晶の集中イオンビーム製粉から作られた micropillars を変形させることによって等最初に (FIB) Brenner の標準的な実験に再アクセスしました。 このアプローチは直径の 245 nm の円柱金の水晶が 360 MPa の引張強さ、強さすなわち、バルク金の 3 倍を表わしたことを示しました8

他愛ない嘘機械で造られた金属 nanostructures は最初の水晶微細構造および他愛ない嘘誘発の表面損傷に転位、よる呼出される既存ライン欠陥を所有すると知られています。 従って転位が金属の可塑性の一次キャリアであるので変形の下でプラスチック流れの圧力の転位密度および nanoscale の水晶の根本的な転位プロセスの影響を特徴付けるために、それは勝ちます。

その目的のために、転位の原動力の過去の計算機シミュレーションはソース切り捨て堅くなることと言われる submicrometer の金属柱の自由な表面によって仲介される新しいサイズ依存した堅くなるメカニズムを明らかにしました9。 このプロセスは作動しない保たれるより短い単一アームソースを形作るために自由な表面を横断する既存の転位のループの破損に応用圧力に十分な上昇になるまで対応します。 転位の飢餓によって堅くなる第 2 表面仲介されたメカニズムはプラスチック変形がソース限られるようになる限りで転位の乗法のためのそれを超過するために自由な表面の転位の脱出のレートがあるとき提案されました10

サイズ対対の境界

ぬれた化学成長または物理的な沈殿からの上昇形アプローチによって育つ金の nanowires は普通直径およびディフェクトフリーの水晶の 100 つ nm よりより少しです。 理論では、これはそれらに超高度の強さに近づくための理想システムをします。 そのような小さいボリュームが容易に転位を保存できないのでひびは自由な表面から始められる集中させた水晶スリップによって疑似壊れやすく、支配されて11。 それにもかかわらず、結び付けることは nanoscale の結晶成長の間にいたるところに発生し、金の nanowires の水晶可塑性を改善するためにあります。

図 1 は図式的に異なったタイプのぬれた化学からの金の nanowires で実験的に観察される結び付けられた微細構造を表示します。 大規模な分子動力学法のシミュレーションは金の nanowires への nanoscale の双生児の付加が張力の増加に機能するか、または単位長ごとの双生児のサンプル両方直径そして数によってスリップへの抵抗を、減らすことができることを以前明らかにしました12,13

図 1: 異なったタイプのぬれた化学によって育つ金の nanowires で観察される結び付けられた微細構造。 (a) ディフェクトフリーの円の nanowire。 (b) 一定した対の境界間隔の定期的結び付けられた円の nanowire (TBS)。 (c) {111 の} 面および一定した TBS から成っているジグザグ形の表面の形態の定期的結び付けられた nanowire。

また、疑似壊れやすい動作からの重要な緊張堅くなることへの鋭い転移および直径への超高度のプラスチック流れの圧力は間隔をあけるのために定期的結び付けられた金の nanowires で対の境界の適切な (TBS)比率観察されました14,15。 例えば、図 2 は張力で延性があるひびによって変形する定期的結び付けられた金の nanowire のための原子レベルのシミュレーションのスナップショットを示します。 この場合、既存の対の境界によって水晶スリップの妨害による重要な緊張堅くなる効果は起こりました。 これにより最大引張強さはバルク引張強さより大きいです 25 倍以上 3.2 GPa、それに上がりました。

図 2: 純粋な張力の下の定期的結び付けられた金の nanowire のプラスチック変形そして延性があるひびの原子レベルの計算機シミュレーション。

サイズ対表面の形態

転位の核形成およびこうして伸縮性がある限界に必要な圧力を減らすために表面欠陥が機能することが巨視的に、主として是認されます。 しかし最近の原子論のシミュレーションはちょうど金の nanowires の反対の傾向を予測しました。 具体的には {図 1c で示されているそれに類似した 111 の} 表面面から成っている複雑なジグザグ形の形態の金の nanowires の引張強さがほぼ理想的なストレス度 (5.5 GPa) に対応するバルク金のそれより大きい 45 倍以上場合もあることが、分られました16

なお、他のシミュレーションは円の横断面のディフェクトフリーの Au の nanowires と比較して異なった温度でこれらの定期的結び付けられたジグザグ形の Au の nanowires の緊張レートの感度の劇的な減少を示しました17。 この動作は nanoscale の導入が緊張レートにかなり高める降伏応力の感度をどこに結び付けるか一般に金のような大きさによって表面集中させる立方金属で観察されるそれと著しく異なっています。 結び付けられた Au の nanowires で表面に彫面を切り出すことは表面集中させた立方金属で観察される共通の {111 の} <112> の部分的なスリップの代りに {001 の} <110> のスリップシステムに沿う完全な転位の核形成そして伝搬との新しい収穫プロセス準を、もたらします。 要約すると、これらのシミュレーションは nanowires の金の理想的な強さに近づくのに双生児および表面面のような特別な欠陥が利用することができることを提案します。

確認応答

米国の全米科学財団 (許可 DMR-0747658) からのサポートおよびヴァーモントによって進められるコンピューティングセンターのコンピュータのリソースは感謝して認められます。


参照

  1. Frenkel、 J. の Zur Theorie の der の Elastizitätsgrenze の und の der の Festigkeit の kristallinischer Körper。 Zeitschrift の für Physik、 1926 年。 37: p. 572-609。
  2. 「ひげ」の Brenner、 S.S.、成長および特性。 Science 1958 年。 128(3324): p. 569-575。
  3. 高、 J. および B. Xu のセルの中の nanomaterials のアプリケーション。 Nano 今日 2009 年。 4(1): p. 37-51。
  4. Lal、 S.、 S. Link、およびニュージャージー Halas のからの waveguiding への Nano 光学感知。 性質 Photonics 2007 年。 1(11): p. 641-648。
  5. Lu、 Y.、等、極めて薄い金の nanowires の冷たい溶接。 性質のナノテクノロジー 2010 年。 5(3): p. 218-224。
  6. Ratner、 M. および D. Ratner のナノテクノロジー: 次の大きい考えへの穏やかな紹介。 2002 年: 無経験ホール。 208。
  7. Uchic、 M.D.、等、サンプル次元の影響の強さおよび水晶の可塑性。 科学 2004 年。 305(5686): p. 986-989。
  8. nano スケールの金およびモリブデンの単結晶の金、 J.Y. および J.R. Greer、抗張のおよび圧縮動作。 アクタ Materialia 2009 年。 57(17): p. 5245-5253。
  9. Parthasarathy、 T.A.、等、有限なサンプルの転位ソース長さの stochastics からの降伏強さの寸法効果への貢献。 Scripta Materialia 2007 年。 56(4): p. 313-316。
  10. Greer、 J.R. および W.D. Nix の転位の飢餓によって増強される Nanoscale の金の柱。 物理的な検討 B 2006 年。 73(24): p. 245410。
  11. Richter、物理的な蒸気沈殿によって育つ G.、等、超高度の強さ単一の結晶の Nanowhiskers。 Nano 文字 2009 年。 9(8): p. 3048-3052。
  12. Deng、 C. および F. Sansoz のサイト特定の表面の転位の放出によって仲介される結び付けられた金の nanowires のサイズ依存した降伏応力。 応用物理の文字 2009 年。 95(9): p. 091914。
  13. Deng、 C. および F. Sansoz の曲げられた転位の対の境界および結び付けられた nanowires の収穫の役割の冷淡な力。 Scripta Materialia 2010 年。 63(1): p. 50-53。
  14. Deng、 C. および F. Sansoz、 Au の定期的に結び付けられた nanowires の可塑性の基本的な相違、 Ag、 Al、 Cu、鉛および NI。 アクタ Materialia 2009 年。 57(20): p. 6090-6101。
  15. Deng、 C. および F. Sansoz、結び付けられた金 Nanowires の超高度のプラスチック流れおよび加工硬化を可能にします。 Nano 文字 2009 年。 9(4): p. 1517-1522。
  16. Deng、 C. および F. Sansoz の微細構造デザインによって達成される金 Nanowires のほぼ理想的な強さ。 Nano ACS 2009 年。 3(10): p. 3001-3008。
  17. Deng、 C. および F. Sansoz の異なった温度の金の nanowires の緊張レートの感度に対する双生児および表面面の効果。 物理的な検討 B 2010 年。 81(15): p. 155430。

、版権 AZoNano.com フレデリック Sansoz (ヴァーモントの大学) 教授

Date Added: Dec 13, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 04:20

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